基于漂流性鱼卵再悬浮特征流速的水库生态调度快速评估法的制作方法

本发明涉及基于漂流性鱼卵再悬浮特征流速的水库生态调度快速评估法，是一种水电工程生态影响的评估方法，是一种用于评估水库调度对生态环境影响的计算方法。

背景技术：

1、产漂流性卵鱼类的受精卵比重略大于水，产出后需在流水的顶托作用下悬浮于水体中，随水流输移并完成胚胎发育。水电开发导致库区流速降低，使得漂流性鱼卵的沉降风险增加。

2、目前，水库生态调度主要关注如何通过制造涨水过程刺激鱼类产卵，而对鱼卵产出后的漂流孵化过程关注不足。在少数考虑鱼卵漂流的调度方法中，通常采用一个固定的流速阈值（如0.25m/s）作为判断鱼卵能否安全漂流的标准，即认为流速大于该阈值时鱼卵可悬浮输移，小于该阈值时鱼卵沉降至河床底部，进而缺氧死亡。

3、然而，近年来野外调查和实验研究表明：鱼卵沉降至河床后并非必然死亡，在适宜的水动力条件下，沉积鱼卵可能受到水流作用（如局部涡旋）的驱动，重新再悬浮进入水体，继续随流输移并完成胚胎发育。实验发现，即使局部流速低于0.25 m/s，只要涡量等水力条件适宜，即再悬浮特征流速ec超过临界值，鱼卵仍可实现再悬浮和有效输移。传统单一流速阈值方法忽略了再悬浮这一鱼卵存在的关键物理过程，导致对鱼卵有效漂流时长、漂流距离和孵化成功率的预测严重偏低，限制了水库调度对鱼类早期资源保护的潜力。

4、产漂流性卵鱼类的早期资源保护效果，很大程度上取决于对鱼卵漂流孵化环境的准确评估。然而，现有方法要么因忽略再悬浮机制而过于保守，要么因模拟成本过高而难以实用。如何在可接受的计算成本内，合理反映鱼卵再悬浮的物理机制，实现对不同调度方案孵化环境支撑能力的快速量化评估，是当前生态调度领域亟需突破的技术方向。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的问题，本发明提出了基于漂流性鱼卵再悬浮特征流速的水库生态调度快速评估法。所述的方法适用于梯级水电开发背景下，通过快速计算目标河段满足漂流性鱼卵直接漂流（即“传统安全区”）和再悬浮条件（即“再悬浮安全区”）的空间占比rgood，来评估和选择合理的水库调度方案。所述的方法对每个候选调度方案，仅需运行一次水动力模型，计算目标河段每个水动力网格点的再悬浮特征流速ec，统计满足再悬浮条件的空间占比rgood，以此作为调度方案优劣的快速判据。该方法避免了逐粒鱼卵的全过程模拟，计算效率高，且综合考虑了流速和涡量等水力因子和鱼卵物理特性因子的耦合作用，克服了单一流速阈值的局限性，可满足生态调度中快速筛选和评估大量候选方案的实际需求。

2、本发明的目的是这样实现的：基于漂流性鱼卵再悬浮特征流速的水库生态调度快速评估法，所述方法的步骤如下：

3、步骤1，获取目标鱼类鱼卵的物理参数及再悬浮特征流速临界阈值ecrit：确定水库生态调度需要保护的目标鱼种，通过查询文献、专家咨询或开展鱼卵实验，获得目标鱼类鱼卵的物理特性参数，包括：目标鱼种鱼卵的卵径d、鱼卵的密度ρ卵、沉降速度vg和鱼卵质量m；

4、基于水槽实验，在不同水力工况下观测鱼卵的“沉降-滞留-再悬浮”全过程，获取同步的鱼卵运动轨迹与流场数据；基于能量守恒原理分析鱼卵动能与势能变化规律，发现鱼卵能量变化δe由负转正的临界点对应鱼卵从沉降滞留状态转为再悬浮状态；通过相关性分析筛选关键因子，基于量纲齐次性原理，构建再悬浮特征流速ec的公式：

5、

6、式中，ec为再悬浮特征流速，m/s；u为鱼卵所在位置的合速度，m/s；fd为鱼卵所受水流拖曳力，n；ω为涡量，s-1；vg为鱼卵沉降速度，m/s；m为鱼卵质量，kg。

7、通过水槽实验获得各工况的ec值及对应的鱼卵能量变化δe值，将δe>0判定为再悬浮发生，采用广义加性模型（gam）拟合ec与再悬浮率的关系曲线，以100%再悬浮率对应的ec值作为临界阈值ecrit。

8、步骤2，确定安全评估河段和计算基本参数：确定目标河段内需要开展安全评估的具体河段，计算该河段的基本参数，包括：鱼卵有效漂流距离ldrift、安全评估河段的起止断面及实际计算河段长度leval、安全评估河段的总面积atotal；

9、子步骤2.1，确定安全评估河段的起止断面：

10、安全评估河段的起点断面取河段内产卵场的最下游边界断面，即产卵场下缘位置。鱼卵从产卵场内任一位置释放后，均需经过该断面开始向下游漂流，因此该断面作为安全评估的起始位置。

11、终点断面取从起始断面向下游沿河道方向延伸一个有效漂流距离ldrift，该处即为终点断面。若在此范围内遇到下游水库大坝，则终点断面截断至大坝坝址；

12、起始断面与终止断面之间的实际河段长度记为leval（leval≤ldrift）；

13、子步骤2.2，估算鱼卵有效漂流距离ldrift：

14、采用研究河段多年平均条件下的平均流速uaverage和目标鱼种鱼卵的胚胎发育所需时长tinc，估算鱼卵完成胚胎发育所需的有效漂流距离：ldrift=uaverage×tinc×3.6

15、式中：ldrift为鱼卵有效漂流距离，km；uaverage为研究河段多年平均条件下的平均流速，m/s；tinc为目标鱼种卵的胚胎发育所需时长，h；3.6为单位换算系数；

16、子步骤2.3，估算安全评估河段的总面积atotal：

17、安全评估河段的总面积按照以下公式估算：

18、atotal=leval×havg；

19、式中：leval为安全评估河段的实际长度；havg为评估河段的平均水深；此处面积为立面二维模型的纵剖面面积，作为后续统计安全区域占比rgood的空间基准；

20、步骤3，建立一维水动力模型：

21、根据研究河段的实际情况，建立一维水动力模型，为立面二维水动力模型提供上游流量边界和下游水位边界；

22、子步骤3.1，确定一维模型的建模范围：

23、一维模型的建模范围应覆盖从上游边界断面至下游边界断面的整个河段，具体范围根据水电开发情景确定：

24、情景3.11，产卵场位于单级水库上游：建模范围从产卵场起始断面上游的天然河道断面开始，至水库坝址断面结束；

25、情景3.12，产卵场位于单级水库下游：建模范围从水库坝址断面开始，向下游延伸至步骤2确定的评估河段终点断面或更下游的稳定控制断面，以确保能够获取评估河段终点处可靠的水位值；

26、情景3.13，产卵场位于梯级水库两级之间：建模范围从上级水库坝址断面开始，至下级水库坝址断面结束；

27、子步骤3.2，建立一维水动力模型：

28、基于研究河段的地形测量数据和河道糙率参数，建立一维水动力模型；模型能够模拟不同上游流量和下游水位组合条件下，沿程各断面的水位、平均流速等水力要素的分布；

29、一维模型与二维模型的空间关系说明：

30、一维模型覆盖整个研究河段，立面二维模型仅覆盖步骤2确定的安全评估河段；一维模型为二维模型提供：①起点断面的流量；②终点断面的水位；二维模型则在此基础上计算安全评估河段内的流速场和涡量场；

31、步骤4：建立安全评估河段的立面二维水动力模型：

32、子步骤4.1，模型选择与建模范围：

33、采用立面二维水动力模型，建模范围与步骤2确定的安全评估河段完全一致：x方向从起始断面至终止断面，z方向从河床底部至自由水面；

34、子步骤4.2，网格划分和地形输入：

35、x方向采用均匀或非均匀网格，网格尺寸应根据河段形态和水力梯度确定，断面变化剧烈处可适当加密，顺直均匀段适当放宽；z方向采用σ坐标或固定分层，垂向分层数10~30层，河床附近适当加密以准确捕捉底部涡量，模型的地形数据基于实测断面地形插值生成；

36、模型的控制方程与边界条件类型：

37、模型求解沿水流方向和垂向的二维不可压缩流体的navier-stokes方程或浅水方程，紊流闭合或采用k-ε模型或大涡模拟；

38、模型的输入边界条件类型为：上游边界给定流量q2d,up，下游边界给定水位h2d,down，具体由步骤5计算获得，水面为自由表面，底部为无滑移固壁边界；

39、模型建立完成后，在步骤6中针对每个候选调度方案代入相应的边界条件并运行，输出各网格点的水力参数；

40、步骤5，运行一维水动力模型：

41、子步骤5.1，根据情景设置一维模型的边界条件：

42、边界条件5.11，产卵场位于单级水库上游（库区或库尾）：上游边界取水库坝址以上的天然来流流量qup，下游边界取水库坝前水位zdown；

43、边界条件5.12，产卵场位于单级水库下游（坝下河段）：上游边界取水库下泄流量qup，下游边界根据一维模型下游边界断面处的水位-流量关系曲线给定相应水位zdown；

44、边界条件5.13，产卵场位于梯级水库两级之间：上游边界取上级水库下泄流量qup，下游边界取下级水库蓄水位zdown；

45、边界条件设置完毕后，运行一维水动力模型；

46、子步骤5.2，对多个候选调度方案重复运行：

47、若存在多个候选调度方案（如不同下泄流量组合、不同下游水位组合），则对每个方案分别执行子步骤5.1，获取各方案对应的一维模型运行结果，供后续步骤6和步骤7分别调用。

48、步骤6，产卵场流速约束检验：从步骤5的一维模型运行结果中，提取产卵场所在区域的最大流速umax，将umax与预设的产卵场保护流速阈值ulimit进行比较：

49、若umax>ulimit，则判定该候选调度方案不可行，直接剔除，不再参与后续步骤；

50、若umax≤ulimit，则进入步骤7；

51、步骤7，提取二维模型边界条件：

52、针对通过步骤6流速约束检验的候选调度方案，从一维模型运行结果中提取立面二维模型所需的上下游边界条件，具体如下：

53、子步骤7.1，提取二维模型的边界条件：

54、一维模型运行完成后，从计算结果中提取以下两个关键数据：

55、安全评估河段起点断面处对应的一维模型计算得到的流量q2d,up；

56、安全评估河段终点断面处对应的一维模型计算得到的水位h2d,down；

57、提取原则：直接读取一维模型在起点断面和终点断面处输出的流量和水位值。若起点断面与一维模型上游边界断面重合，q2d,up等于上游边界流量；若不重合，则为模型在该断面计算得到的实际流量，两种情况下，直接读取相应断面的输出数据即可，无需人为区分；

58、提取这两个数据的依据是：立面二维模型在x方向上的计算范围等于安全评估河段，为求解该范围内的流速场和涡量场，需要在起点断面给定流量边界，在终点断面给定水位边界，二者共同构成二维模型的定解条件；

59、子步骤7.2，将提取的数据赋值给立面二维模型：将q2d,up和h2d,down分别作为立面二维模型的上游流量边界和下游水位边界，供步骤8调用；

60、子步骤7.3，对多个候选调度方案重复上述操作：对不同下泄流量组合、不同下游水位组合的多个候选调度方案，分别执行子步骤7.1至7.2，获取各自对应的q2d,up和h2d,down；

61、步骤8，运行立面二维水动力模型并计算水力参数：将步骤7提取的q2d,up作为上游流量边界，h2d,down作为下游水位边界，代入立面二维模型；运行模型后，输出每个网格点的水平流速ux；垂向流速uz；并据此计算该网格点的合速度u，；计算该网格点的涡量ω，；

62、式中：x为沿水流方向的水平坐标，m；z为垂向坐标，m。

63、若存在多个候选调度方案，对每个方案分别重复步骤8，获得各方案对应的流速场和涡量场。

64、步骤9，选择性计算鱼卵再悬浮特征流速ec并标记安全区：对于安全评估范围内的每个网格点，首先判断其合速度u：

65、若u≥0.25m/s，标记为“传统安全区”，无需计算ec；

66、若u＜0.25m/s，计算该网格点的再悬浮特征流速ec，并按以下规则进行标记；

67、ec的计算公式如下：

68、

69、其中：

70、

71、公式中各符号的物理含义及取值方法：ec：再悬浮特征流速；u：各网格点的合速度，由步骤8计算得到；fd：鱼卵所受水流拖曳力；vg：鱼卵的沉降速度，由步骤1获取；ω：涡量，由步骤8计算得到；m：鱼卵质量，由步骤1获取；ρ水：水的密度；δv：鱼卵与水流的相对速度，工程计算中近似取网格点的合速度u（即δv≈u）；ae：鱼卵迎流面积；鱼卵按球体概化，其迎流面积按照圆面积计算，，d为鱼卵卵径，由步骤1获取；cd：拖曳力系数，根据水流雷诺数re分区计算；

72、拖曳力系数cd按照re分区计算：

73、水流雷诺数re的计算：

74、其中：ρ水为水体密度；u为合速度；r为水力半径，r=aw/χ，其中aw为过水断面面积，χ湿周；μ为水的动力黏度；

75、拖曳力系数cd的分区计算公式如下：

76、stokes区：

77、

78、过渡区：

79、

80、牛顿区，阻力系数趋于常数：

81、；

82、ec与临界阈值ecrit的比较与标记：

83、计算得到ec后，与步骤1获得的临界阈值ecrit进行比较：

84、若ec≥ecrit，标记为“再悬浮安全区”；

85、若ec＜ecrit，标记为“非安全区”；

86、步骤10，统计评估范围内安全区域占比rgood：统计传统安全区和再悬浮安全区两类安全网格的总面积asafe，即对所有标记为“传统安全区”和“再悬浮安全区”的网格点求和，安全区域总面积按以下公式计算：

87、

88、式中：nsafe为标记为安全区的网格点；δxi为第i个安全网格的水平尺寸；δzi为第i个安全网格的垂向尺寸；求和仅对标记为“传统安全区”或“再悬浮安全区”的网格点进行；

89、安全评估范围总面积atotal已在子步骤2.3中确定；

90、计算安全区域占比：

91、

92、该指标rgood综合反映评估范围内适合鱼卵输移的环境占比；

93、步骤11，判定调度方案是否满足生态要求：对于通过流速约束检验的候选调度方案，将rgood与预设目标值rtarget进行比较，若rgood≥rtarget，则判定该调度方案满足生态要求，可以作为推荐方案；否则，方案不满足生态要求；

94、rtarget的取值依据如下：

95、通过步骤2~10，rtarget依据目标河段在建坝前的天然水文资料计算得到目标河段天然状态下的安全区域占比rgood,natural，将其作为恢复目标，根据目标鱼种濒危等级和生态恢复目标，分级设置不同保证率下的rtarget：高保证率可取rtarget=rgood,natural；中保证率取rtarget = 0.7×rgood,natural；低保证率取rtarget = 0.5×rgood,natural；

96、步骤12，多方案比选：计算多个候选的调度方案各自的rgood，选择rgood最大的方案作为最优方案，或筛选出所有rgood≥rtarget的方案供决策者选择；

97、步骤13，输出满足生态要求的调度方案：输出满足生态要求的调度方案，参数包括：调度方案对应的上游水库下泄流量或下游水库蓄水的水位，或者上游水库下泄流量和下游水库蓄水的水位及相应的rgood指标。

98、本发明的优点和有益效果是：本发明首次将鱼卵再悬浮特征流速ec的空间分布引入水库生态调度快速评估，以安全区域占比rgood为核心指标，能够在不进行鱼卵个体输移模拟的前提下，快速判断调度方案对鱼卵再悬浮环境的保障效果，弥补了传统方法在评估精度与计算效率之间难以兼顾的技术空白。本发明突破了传统单一流速阈值的局限性，在保留传统安全区的基础上，进一步识别低流速但涡量适宜的“再悬浮安全区”，从而将传统方法误判为不安全的区域重新纳入安全范围，使评估结果更符合鱼卵实际再悬浮能力，避免了因保守评估而浪费生态调度潜力。本发明兼顾产卵场物理完整性保护，通过引入产卵场最大流速约束，避免因追求过高rgood而采用过大流量导致产卵场底质冲刷破坏，实现了鱼卵输移环境与产卵场栖息地保护的协同评估。本发明广泛应用于梯级水库群的快速生态调度决策，适用于产卵场位于坝下、库尾或两库之间的多种情景，可单独调控上游下泄流量或下游水位，也可联合调控，为水电工程生态调度提供了一种高效、科学、实用的前置评估工具。